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基于建筑高度和地层厚度的城市地下空间占用深度快速评估方法———以杭州市为例

  • 杨洋1,2,3

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

    3. 中南大学地球科学与信息物理学院,长沙, 410083

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  • ，苏晶文1,2

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

    ×
  • ，郑红军1,2

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

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  • ，蔡磊1,2

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

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  • ，蔡小虎1,2

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

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  • ，王睿1,2

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

    ×
  • ，邢怀学1,2

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

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  • ，李云峰1,2

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

    ×
  • ，程光华1,2

    机 构：

    1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016

    2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016

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1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京, 210016；
2. 自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,南京, 210016；
3. 中南大学地球科学与信息物理学院,长沙, 410083；

Rapid assessment of the occupancy depth of urban underground space based on building height and stratum thickness

  • YANG Yang1,2,3

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

    3. School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha, 410083

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  • ，SU Jingwen1,2

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

    ×
  • ，ZHENG Hongjun1,2

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

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  • ，CAI Lei1,2

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

    ×
  • ，CAI Xiaohu1,2

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

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  • ，WANG Rui1,2

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

    ×
  • ，XING Huaixue1,2

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

    ×
  • ，LI Yunfeng1,2

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

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  • ，CHENG Guanghua1,2

    Affiliation：

    1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016

    2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016

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1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing, 210016；
2. Engineering Innovation Center for Urban Underground Space Exploration and Evaluation, Ministry of Natural Resources, Nanjing, 210016；
3. School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha, 410083；

作者简介:

杨洋,男,1991年生,硕士,主要从事城市工程地质和地下空间调查评价研究;E-mail: yyang_a@mail.cgs.gov.cn。

DOI:10.16509/j.georeview.2024.07.062

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目录contents

    摘要

    城市高密度的建筑物事实上占据了位于其下部一定深度的地下空间资源,其占用深度对城市地下空间(UUS)网络化开发具有重要影响,因此,在 UUS 规划前,需要掌握规划范围内地下空间占用深度和空间分布格局。 UUS 占用深度除地下建筑物深度外还包括下部地基持力层深度,其与建筑高度和场地地质条件相关。笔者等提出基于建筑高度和地层厚度的 UUS 占用深度快速评估方法,以杭州主城区为研究对象,通过实测建筑高度数据和收集建筑基础数据建立评估数学模型,利用百度建筑数据和杭州三维地质模型生成的地层厚度数据,并基于 GIS 平台的空间分析,实现了对杭州市主城区建筑地下空间占用深度的快速评估。研究成果为城市地下空间规划所需的大范围地下空间占用情况提供了高效的评估手段。

    Abstract

    Objectives: The high-density buildings in urban areas actually occupy the underground space resource at a certain depth below them. The occupancy depth has a significant impact on the interconnected development of urban underground space ( UUS ). Therefore, it is imperative to ascertain the occupancy depth and spatial distribution prior to UUS planning. The occupancy depth of UUS corresponds to the depth of the foundational loadbearing stratum, and is contingent upon factors such as building height and the geological characteristics of the site. In this paper, a rapid assessment methodology for determining the occupancy depth of UUS based on building height and stratum thickness was proposed and applied to the study area of Hangzhou main urban area. Firstly, the mathematical assessment model was formulated employing building height data from surveys and collected foundation data. Subsequently, the rapid assessment of occupancy depth of UUS in Hangzhou main urban area was achieved by the GIS-based spatial analysis using the building data sourced from Baidu and the stratum thickness data generated by Hangzhou’s 3D geological model. The research results can provide an effective method of assessing the large-scale UUS occupancy requisite for UUS planning endeavors.

  • 随着我国城市化水平的快速提升，城市地下空间（Urban underground space，UUS）开发利用总体规模已处于世界领先地位（朱合华等，2019），尤其是超大特大城市逐步走向深层化和网络化（程光华等，2019; 李晓昭等，2019; 唐鑫等，2022），对地下空间资源的科学评价至关重要（葛伟亚等，2021）。传统 UUS 资源评价主要集中在基于地质条件的开发适宜性评价（邢怀学等，2022; 苟富刚等，2023），但忽视既有建筑的影响导致成果社会应用性不强的问题。越来越多学者提出 UUS 资源调查评价除地质条件外，还应关注既有建筑地下空间要素，杨洋等（2022）提出 UUS 全要素应包含全空间地理信息、全功能建筑信息和全要素地质信息，强调已开发地下空间占用对地下空间资源评价的重要性。赵旭东等（2014）在对城市历史文化街区地下空间资源开发质量评估时，充分考虑了地面建筑层高对地下空间资源开发的影响。 Xi Yue 等（2022）在 UUS 资源质量三维精细评价方面，考虑了城市地表建筑、地下建筑和人防工程等控制性因素。但是上述研究都是只关注建筑物自身在平面和深度上的影响，而忽视了建筑下部地基持力层对建筑物安全的保障作用。

  • 建筑地下空间占用深度的精准掌握面临着资料收集难和调查统计工作量大的难题，有学者提出依据建筑高度来估算建筑地基占用深度，如 Shao Jizhong 等（2022）按照建筑高度类型给出了占用深度经验值，何静等（2019）给出了不同建筑层数对应的地下空间开发深度经验取值，但都存在忽略了地质条件对建筑地基占用深度的影响。李宏钊等（2021）提出了遥地耦合探测技术，综合考虑了建筑高度和地质条件对占用深度的影响，给出了较小开发范围内浅基础建筑占用深度统计值，但对于城市大范围尺度和高层建筑深基础占用深度评估缺乏普适性。

  • 笔者等以杭州为研究区，提出一种适用于松散层厚覆盖区的基于建筑高度和地层厚度的 UUS 占用深度快速评估方法，首先通过实测建筑高度数据和收集建筑地基资料数据建立快速评估数学模型，然后利用研究区范围内建筑高度数据和三维地质模型生成的地层厚度数据，基于 GIS 平台评估了杭州主城区建筑地下空间占用深度和平面布局。评估方法可为松散层厚覆盖城市大范围地下空间占用深度的快速评估提供新的手段。

  • 图1 地下空间占用深度（Z）示意图

  • Fig.1 Schematic diagram of underground space occupancy depth (Z)

  • 1 UUS 占用深度快速评估方法

  • 1.1 UUS 占用深度定义

  • 由于建筑地基持力层是承受建筑上部结构荷载的地层，其直接影响上部建筑的安全稳定，如 2009 年上海 13 层楼整体倾倒事故正是由于建筑桩基失稳导致房屋倾倒。此外，城市地下隧道修建亦会造成桩基持力层失稳，熊巨华等（2013）分析了隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响，随着平均地层损失比的增加，桩处土体自由场竖向位移和桩身沉降不断增大。因此，笔者等所述 UUS 占用深度是指城市范围内建筑物占用其地表以下的深度，除地下建筑本身外，还包括了持力层的地基影响范围，如图1 所示，Z 代表了 UUS 占用深度。已有研究表明，建筑地下空间的影响范围主要与建筑高度、基础面积、基础形式和地质结构有关（ 李宏钊等，2021; Shao Jizhong et al.，2022）。

  • 对于低层建筑，其地下空间占用深度主要是天然地基持力层底层深度，参照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）对条形基础、独立基础等地基受力层的规定，一般为基础底面以下 1.5~3 倍基础底面宽度且不小于 5 m，笔者等参考实际施工经验和便于计算，将天然地基占用深度 Z 统一设定为 5 m。对于多层、高层和超高层建筑，其地下空间占用深度主要是人工地基的处理深度，不同地区不同类型建筑采用的基础类型有差异，对于松散层厚覆盖尤其是东部沿海地区普遍分布软土层，根据收集资料情况，多层以上建筑一般采用桩基础，笔者等以此为研究对象，确定其地下空间占用深度为桩底深度即桩长，其受建筑物高度 H 和地质条件（同一地区主要影响因素为地层厚度 D）的影响较大。

  • 1.2 快速评估方法

  • 笔者等以杭州为例，根据上述 UUS 占用深度定义，其占用深度的评估对于低层建筑和多层、高层和超高层建筑采用不同的方法。对于低层建筑的天然地基，UUS 占用深度统一设定为 5 m; 对于多层、高层、超高层建筑的人工地基，UUS 占用深度 Z 与建筑高度 H 和地层厚度 D 一般呈非线性相关，因此关键是构建 Z = f（H，D）的非线性数学模型。在此基础上，对获取的城市范围内 H 和 D 数据，通过 GIS 空间分析，计算得到 Z 的空间分布，评估流程如图2。

  • 图2 UUS 占用深度快速评估流程图

  • Fig.2 Flow chart for rapid assessment of the occupancy depth of UUS (Urban underground space)

  • 评估数学模型通过研究区内抽样调查获取统计样本（建筑高度 H0、地层厚度 D0 和占用深度 Z0），采用 MATLAB 非线性多项式拟合建立 Z = f（H，D）。通过对杭州市主城区内占用地下空间调查，受限于桩基检测报告收集数量，本次研究共获取了 99 组 H0、D0、Z0 的统计样本（表1）。其中 H0 在调查时按照行政单元均匀分布的特点，通过激光测距仪实测获得，D0 和 Z0 分别通过收集城建档案资料中对应的工程勘察报告和桩基检测报告获得。

  • 为建立评估数学模型并验证模型精度，按照验证数据占建模数据量 10%的标准，利用表1 前 90 组 H0、D0、Z0 的统计样本数据进行 MATLAB 非线性多项式拟合，如图3 所示，得到模型方程如式（ 1）所示，模型决定系数 R 2 为 0.72。

  • Z=0.0217H+0.6315D-0.0002H×D+12.03
    (1)

  • 将表1 后 9 组 H0、D0、Z0 数据代入到模型进行验证，对调查值与预测值进行线性拟合，如图4，其验证拟合精度 R 2 达 0.89，对于区域快速评估，该模型精度较高。

  • 对于城市区域建筑高度 H 数据，大范围内的高精度实测将耗费大量人力财力，近年来应用遥感数据反演建筑高度成为主要的评估方法（ 田峰等，2017; 李宏钊等，2021; Yang Chen et al.，2022; Wu Wanben et al.，2023），形成了较多开源建筑高度数据产品。对于城市区域地层厚度 D 数据，随着城市三维地质建模和应用（屈红刚等，2018; Guo Jiateng et al.，2021; 薛涛等，2023），可获取城市任意范围内的地层厚度 D 数据。

  • 表1 杭州市主城区建筑高度（H0）—地层厚度（D0）—占用深度（Z0）调查数据

  • Table1 Survey data of building height (H0) — soil layer thickness (D0) — occupancy depth (Z0) in main urban area of Hangzhou

  • 2 杭州市主城区地下空间占用深度评估

  • 2.1 研究区概况

  • 研究区为杭州市主城区（包括上城区、拱墅区、西湖区、滨江区、萧山区、余杭区、临平区和钱塘区），UUS 占用情况呈现随地表建筑连片分布。研究区地貌类型较复杂，包括平原区及山麓沟谷区，第四系沉积物厚度变化大，沉积类型复杂多样，区内第四系厚度最深超过 100 m。杭州主城区地下空间开发利用较发达，目前正迈向深层化和网络化，掌握其地下空间占用深度可为地下空间开发利用的科学规划提供基础。

  • 图3 占用深度（ Z）－建筑高度（H）－地层厚度（D）关系

  • Fig.3 Relationship between occupancy depth Z， building height H，and soil layer thickness D

  • 图4 杭州市主城区占用深度预测值与调查值关系

  • Fig.4 Relationship of predicted values of occupancy depth with survey values in main urban area of Hangzhou

  • 图5 杭州市主城区建筑高度分布图

  • Fig.5 Spatial distribution of buildings height in main urban area of Hangzhou

  • 图6 杭州市主城区土层厚度分布图

  • Fig.6 Spatial distribution of soil layer thickness in main urban area of Hangzhou

  • 2.2 研究区建筑高度与地层厚度分布

  • 研究区建筑高度数据利用百度建筑数据，其中超高层建筑（H>100 m）占比 0.2%，主要位于中心城区、滨江区和临平区新建设超高层建筑; 高层建筑（H>24 m）占比 9.2%，多层建筑（H>9 m）占比 42.6%，如图5 所示。

  • 研究区地层厚度数据通过杭州市三维地质模型提取，该模型是根据全市 21618 个钻孔标准层数据构建的第四系工程地质层组融合基岩露头属性的三维工程地质模型。在此基础上，按照 10 m 间隔标准提取了研究区内 100 m 以浅的基岩埋深（土层厚度）等值线，土层厚度分区如图6 所示，整体呈现 “西薄东厚”的格局。

  • 2.3 评估结果

  • 综合建筑高度分布图和地层厚度分布图，根据公式（1），利用 ArcGIS 的空间分析计算得到杭州市主城区地下空间占用深度 Z 分布（图7），其中近 39%地下空间占用深度为 5 m，广泛分布于城市低层建筑区; 近 36%位于 30~50 m 区间内，密集分布于城市建筑群，是杭州市多层和高层建筑的主要占用深度。评估结果显示杭州市东部钱塘区目前地下空间仅零星占用，但该区地层较厚，存在软土、砂土等工程地质性质较差土体，在地下空间开发时需注意防控沉降、地面塌陷等地质安全风险。

  • 3 结论

  • （1）笔者等提出的城市地下空间占用深度快速评估方法主要通过小样本的调查统计，利用 MATLAB 非线性拟合获得精度较高的占用深度评估数学模型，适用于松散层厚覆盖城市大范围地下空间占用深度的快速评估。

  • （2）利用笔者等提出的评估方法集成研究区建筑高度数据和三维地质建模数据，利用 GIS 空间分析对地下空间占用深度和平面分布格局进行评估，成果可为城市地下空间总体规划所需的大范围地下空间占用情况提供基础数据参考，评估精度受控于评估数学模型精度、建筑高度数据精度和三维地质模型精度。

  • 图7 杭州市主城区地下空间占用深度分布图

  • Fig.7 Spatial distribution of occupancy depth of UUS in main urban area of Hangzhou

  • （3）笔者等提出的快速评估方法根据研究区特点，主要针对低层建筑的天然地基和多层以上建筑的桩基，未考虑其它基础类型的多层以上建筑地基，未来拟根据研究对象和数据集成情况，开展考虑不同基础类型的城市地下空间占用深度评估。

  • 参考文献

    • 程光华, 苏晶文, 李采, 杨洋, 赵牧华, 王睿. 2019. 城市地下空间探测与安全利用战略构想. 华东地质, 40(3): 226~233.

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  • 基本信息

    DOI: 10.16509/j.georeview.2024.07.062

    基金信息

    本文为国家自然科学基金资助项目(编号:42071256)；
    中国地质调查局项目(编号:DD20221732)的成果；
    This paper is supported by the National Natural Science Foundation (No. 42071256) ；
    Program of China Geological Survey (No. DD20221732)；

    稿件历史

    收稿日期: 2023-10-07

  • 参考文献

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